能量收集的背景

在如今這個(gè)非常注重環(huán)保的時(shí)代，似乎一切都在走向環(huán)保。能量收集這個(gè)概念出現(xiàn)已有10多年時(shí)間；但是，在真實(shí)環(huán)境中實(shí)施基于環(huán)境的能源輸送系統(tǒng)一直以來都很麻煩、復(fù)雜且成本高昂。但是，也有很多市場(chǎng)成功采用了能量收集方法，包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、胎壓檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化。具體來說，在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，諸如感應(yīng)傳感器、恒溫器，甚至電燈開關(guān)等都不再使用通常與安裝相關(guān)的電源或控制電纜，而是改用本地能量收集系統(tǒng)。

在構(gòu)建智能樓宇時(shí)，包括商用和住宅建筑，讓樓宇節(jié)能是確保能效結(jié)構(gòu)不會(huì)大幅消耗來自使用化石燃料的傳統(tǒng)能源的先決條件。

對(duì)于商業(yè)建筑，使其智能化對(duì)于入駐其中的組織來說非常關(guān)鍵，這是因?yàn)楣?jié)能和改進(jìn)型的樓宇可以幫助降低能源成本，同時(shí)為在其中工作的人員提供高效的工作環(huán)境。但是，這種做法本身也存在缺陷。舉例來說，這些樓宇需要其基礎(chǔ)設(shè)施可以提供必要的反饋，以實(shí)現(xiàn)供暖和制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行、照明控制和有效地利用空間。這很可能需要使用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)作為監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境的方法，且為了實(shí)現(xiàn)高效管理和控制，會(huì)提高對(duì)替代電源的依賴性。

與智能樓宇相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)

智能樓宇會(huì)不斷改變?nèi)藗冮_展日?；顒?dòng)的方式。此外，在節(jié)能的同時(shí)，智能樓宇還能幫助省錢。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，有些物聯(lián)網(wǎng)智能樓宇趨勢(shì)正在形成。

預(yù)測(cè)性維護(hù)利用傳感器(IoT)和其他硬件設(shè)備來獲取商業(yè)建筑和樓宇內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告就是個(gè)很好的例子。這種反饋?zhàn)屛覀兡軌蛟谛枰獣r(shí)，及時(shí)有效地實(shí)施必要維護(hù)。通過使用預(yù)測(cè)性維護(hù)方法，可以解決預(yù)測(cè)性維護(hù)安排期間經(jīng)常出現(xiàn)的不可預(yù)見的問題。

此外，空氣質(zhì)量會(huì)給員工效率造成不利影響。對(duì)這一領(lǐng)域開展的行業(yè)研究表明，在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量良好的樓宇中工作的人員，效率比在傳統(tǒng)樓宇中工作的人員高10%。所以，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以使用作為Mesh網(wǎng)絡(luò)組成部分的各種傳感器來測(cè)量和檢測(cè)空氣質(zhì)量，以及空氣中的二氧化碳含量。這些設(shè)備連接至樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的所有部分，可以確保其內(nèi)的環(huán)境和人員保持健康和高效。

另一項(xiàng)預(yù)計(jì)會(huì)取得進(jìn)展的新趨勢(shì)是在智能樓宇中使用物聯(lián)網(wǎng)支持的應(yīng)用。使用熱成像讓設(shè)備經(jīng)理檢查其設(shè)備是否超出正常的操作溫度范圍就是個(gè)很好的例子。這很容易檢測(cè)到，所以可以在設(shè)備中斷正常的操作模式之前實(shí)施維護(hù)。例如，物聯(lián)網(wǎng)可以改變商業(yè)設(shè)備經(jīng)理跟蹤信息、測(cè)量和收集數(shù)據(jù)的方式，這包括以前難以到達(dá)、不可進(jìn)入的區(qū)域。在樓宇各處安裝傳感器讓他們可以跟蹤獲取以前無法獲取的所有信息。通過使用物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)，設(shè)備經(jīng)理現(xiàn)在能夠使用這些系統(tǒng)獲取所有相關(guān)信息。

此外，物聯(lián)網(wǎng)讓商業(yè)業(yè)主的樓宇擁有充足的能源成為可能。這對(duì)樓宇的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了影響，使它們既環(huán)保又資源高效。此外，這些智能樓宇管理系統(tǒng)可以在任何位置進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，使用可由指示器（例如振動(dòng)和溫度波動(dòng)）控制的傳感器來取代過時(shí)的重型建筑設(shè)備。很顯然，這可以節(jié)省大量能源和資金，同時(shí)降低維護(hù)成本。

最后，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)樓宇造成的最重要的影響之一即是能效。傳感器網(wǎng)絡(luò)提供信息，幫助管理者更有效地管控其資產(chǎn)，同時(shí)減少環(huán)境中的有害廢物。例如：

使用傳感器來控制溫度

使用執(zhí)行器實(shí)施HVAC控制

為樓宇提供完整的能源自動(dòng)化等復(fù)雜應(yīng)用

關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，以實(shí)時(shí)節(jié)省能源成本

無線傳感器節(jié)點(diǎn)：一種能量收集關(guān)鍵應(yīng)用

能量收集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的無線傳感器。在美國(guó)，樓宇是每年消耗能源最多的領(lǐng)域，緊隨其后的是交通和工業(yè)領(lǐng)域。

使用能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)可以將樓宇內(nèi)任意數(shù)量的傳感器連接在一起，在樓宇或房間內(nèi)無人時(shí)調(diào)節(jié)溫度或關(guān)閉非關(guān)鍵區(qū)域的照明設(shè)備，以降低HVAC和電力成本。此外，能量收集電子設(shè)備的成本往往低于運(yùn)行供電線路的成本，或低于更換電池實(shí)施的例行維護(hù)的成本，所以很明顯，采用能量收集技術(shù)可以獲得經(jīng)濟(jì)收益。

但是，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要自己的外部電源，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種優(yōu)勢(shì)都將不復(fù)存在。盡管現(xiàn)行的電源管理開發(fā)使電子電路能夠在給定電源下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，但也存在限制，而能量收集為其提供了一種補(bǔ)充方法。所以，能量收集是通過將本地環(huán)境能源轉(zhuǎn)化為可用的電能，為無線傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源的一種方式。環(huán)境能源包括光照、溫度差、機(jī)械振動(dòng)、傳輸?shù)?a target="_blank">射頻信號(hào)，或者能夠通過傳感器產(chǎn)生電荷的其他源。這些能源無處不在，可以通過使用合適的傳感器，例如針對(duì)溫度差的熱電發(fā)電機(jī)(TEG)、針對(duì)振動(dòng)的壓電元件、針對(duì)光照（或室內(nèi)照明）的光伏電池，甚至濕氣中的原生能，將它們轉(zhuǎn)化為電能。這些所謂的“免費(fèi)”能源可用于自動(dòng)為電子組件和系統(tǒng)提供電源。

現(xiàn)在整個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以在微瓦平均功率級(jí)水平下工作，所以可以使用非傳統(tǒng)電源來為它們供電。這就導(dǎo)致了能量收集技術(shù)，為使用電池不方便、不可行、成本高昂或危險(xiǎn)的系統(tǒng)提供充電、補(bǔ)充電源，或者替換其電池。也無需使用電纜來傳輸電力或傳輸數(shù)據(jù)。

典型的能量收集配置或無線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)一般由4個(gè)塊組成，如圖1所示。它們分別是：

環(huán)境能源

一種為下游電子設(shè)備供電的換能器元件和功率轉(zhuǎn)換電路

一種鏈接節(jié)點(diǎn)與物理世界的傳感組件，以及用于處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將它們保存在存儲(chǔ)器中的微處理器或微控制器組成的計(jì)算組件。

一種通信組件，包含短距無線電，用于和鄰近節(jié)點(diǎn)及外部世界無線通信。

環(huán)境能源示例包括連接到制熱源（例如HVAC風(fēng)道）上的TEG（或熱電堆），或者連接到振動(dòng)機(jī)械源（例如窗玻璃）上的壓電式傳感器。至于熱源，一個(gè)緊湊的熱電器件可以將小溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在存在機(jī)械振動(dòng)或應(yīng)力的環(huán)境中，壓電器件可用于將這些能源轉(zhuǎn)化為電能。

電能產(chǎn)生后，即會(huì)被能量收集電路轉(zhuǎn)化，并調(diào)整為適合下游電子設(shè)備使用的電源。所以，微處理器可以喚醒傳感器來進(jìn)行讀取或?qū)嵤y(cè)量，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來進(jìn)行處理，并通過超低功率無線收發(fā)器進(jìn)行傳輸。

圖1. 典型能量收集系統(tǒng)的主要模塊。

當(dāng)然，能量收集源提供的電能由源運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)決定。所以，比較回收能源的主要指標(biāo)在于功率密度，而非能源密度。能量收集一般會(huì)受較低、可變、不可預(yù)測(cè)的可用功率水平影響，所以通常使用混合結(jié)構(gòu)，與收集器和二次儲(chǔ)能器連接。收集器可以提供無限量的電源但功率不足，是系統(tǒng)的能量來源。二次儲(chǔ)能器（電池或電容）產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲(chǔ)的電能較少，可在需要時(shí)提供電源，但是需要定期從收集器接收充電。所以，在不存在環(huán)境能源，無法收集電能的環(huán)境中，必須使用二次儲(chǔ)能器來為WSN供電。

成功設(shè)計(jì)一個(gè)完全獨(dú)立的無線傳感器系統(tǒng)需要使用穩(wěn)定可用的低功耗微控制器和換能器，在低能耗環(huán)境中消耗最少電能。這種能量收集器模塊的現(xiàn)有實(shí)施方法如圖1所示。它們通常由低性能分立器件配置構(gòu)成，一般包含30個(gè)或更多器件。這種設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致終端系統(tǒng)的性能降低。

由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出最低限制，所以在給輸出提供額外功率之前，它必須先克服自身運(yùn)行所需的電流電平。在上述應(yīng)用中，ADI的Power by Linear? (PbL)產(chǎn)品系列可以提供高性能和簡(jiǎn)單性。

能量收集示例

LTC3109是一款高度集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源管理器。它可以從極低輸入電壓源收集剩余能量并進(jìn)行管理，例如TEG、熱電堆，甚至小型太陽能電池。其獨(dú)特的專有自動(dòng)極性變換拓?fù)涫蛊淠軌蚴褂玫椭?0 mV的輸入源進(jìn)行操作，無論輸入源是什么極性。

圖2所示的電路使用兩個(gè)緊湊型升壓變壓器將輸入電壓源升壓來提供給LTC3109的輸入，從而為無線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供完整的電源管理解決方案。它可以收集較小的溫度差并生成系統(tǒng)電源，而不是使用傳統(tǒng)的電池電源。

圖2. LTC3109典型應(yīng)用原理圖。

然后，使用外部充電泵電容和LTC3109內(nèi)的整流器來提升和整流每個(gè)變壓器的二次繞組上產(chǎn)生的交流電壓。這個(gè)整流器電路將電流輸入VAUX引腳，為外部VAUX電容充電、然后是其他輸出充電。內(nèi)部的2.2 V LDO控制器可以支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

結(jié)論

由于全球都缺乏模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，所以很難為環(huán)保樓宇設(shè)計(jì)出高效的能量收集系統(tǒng)。主要阻礙之一是與遠(yuǎn)程無線傳感相關(guān)的電源管理。但是，LTC3109這類的產(chǎn)品可以從幾乎所有熱源提取能量，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用能量收集電源。這不但可以減少使用化石燃料，還有助于為現(xiàn)在和未來的幾代人創(chuàng)建更環(huán)保的樓宇環(huán)境。

審核編輯：郭婷